Félvezetők optikai és transzporttulajdonságai

Az, hogy egy félvezető hogyan nyeli el a fényt, és hogyan sodródnak és diffundálnak a töltéshordozói külső tér hatására, meghatározza, hogy jó detektor, emitter vagy tranzisztor készíthető-e belőle. Ezek a tulajdonságok a sávszerkezetéből és a szóródásból következnek.

Definition

Egy félvezető transzporttulajdonságai azt írják le, hogyan mozognak az elektronok és lyukak elektromos terek és koncentrációgradiens hatására, amit a mobilitás, a vezetőképesség és a diffúzió jellemez; az optikai tulajdonságok azt írják le, hogyan nyeli el és bocsátja ki az anyag a fényt a tiltott sávján keresztül, amit a sávszerkezet és a tiltott sáv direkt jellege határoz meg.

Scope

Ez a téma a félvezetők elektromos transzportját és optikai válaszát tárgyalja: a töltéshordozó-sodródást és -mobilitást, az azt korlátozó szóródási mechanizmusokat (fonon és szennyeződés), a diffúziót és az Einstein-relációt, a Hall-effektust és a rekombinációt. Optikai szempontból a sávszéli abszorpciót, a direkt és indirekt tiltott sáv közötti különbséget a fényemisszió szempontjából, az excitonokat és a fotovezetést tárgyalja. Összekapcsolja a terület sávszerkezetét és töltéshordozó-statisztikáját a mérhető, eszközreleváns tulajdonságokkal.

Core questions

• Mi határozza meg a töltéshordozó-mobilitást, és mely szóródási mechanizmusok korlátozzák azt?
• Hogyan kapcsolódik össze a sodródás és a diffúzió az Einstein-reláción keresztül?
• Miért szabályozza a tiltott sáv direkt jellege, hogy egy félvezető hatékonyan bocsát-e ki fényt?
• Mik az excitonok és a fotovezetés, és hogyan alakítják az optikai választ?

Key concepts

• Töltéshordozó-sodródás, mobilitás és vezetőképesség
• Fonon- és szennyeződés-szóródás
• Diffúzió és az Einstein-reláció
• Direkt versus indirekt optikai átmenetek
• Excitonok és fotovezetés

Clinical relevance

A transzport- és optikai tulajdonságok döntik el az eszköz teljesítményét: a mobilitás határozza meg a tranzisztor sebességét, a direkt vagy indirekt tiltott sáv dönti el, hogy egy anyagból hatékony LED-ek és lézerek készíthetők-e (mint a gallium-arzenid esetében a szilíciummal szemben), az abszorpció pedig a fotodetektorokat és napelemeket szabályozza.

History

A Hall-effektus (1879) korai eszközt biztosított a töltéshordozó előjelének és sűrűségének mérésére; a sávszéli abszorpció és az excitonok kvantumelmélete az 1930-as években fejlődött ki, és annak felismerése, hogy a direkt tiltott sávú vegyületek, mint a gallium-arzenid, hatékonyan bocsátanak ki fényt, megalapozta a huszadik század közepétől megjelenő optoelektronikát.

Key figures

• Edwin Hall
• Albert Einstein
• Gregory Wannier

Seminal works

• ashcroft1976
• sze2007

Frequently asked questions

Miért készít a szilícium gyenge fénykibocsátó eszközöket?

A szilíciumnak indirekt tiltott sávja van, így a sávon keresztül rekombináló elektronnak és lyuknak egy fonont is be kell vonnia a lendületmegmaradás érdekében; ez a sugárzó rekombinációt ineffektívvé teszi, ezért használnak direkt tiltott sávú anyagokat, mint a gallium-arzenid, LED-ekhez és lézerekhez.

Mi korlátozza a töltéshordozók mozgási sebességét egy félvezetőben?

A töltéshordozókat rácsrezgések (fononok) és ionizált szennyeződések szórják; ezek az ütközések korlátozzák a mobilitást, magas hőmérsékleten a fononszóródás, alacsony hőmérsékleten és erős dópolás esetén pedig a szennyeződés-szóródás dominál.